某轎車風(fēng)阻的優(yōu)化

宋業(yè)建，賀子龍，白福軍，高波

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

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某轎車風(fēng)阻的優(yōu)化

宋業(yè)建，賀子龍，白福軍，高波

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

本文簡單介紹了整車阻力和空氣阻力的構(gòu)成和原理，明確了最有效的途徑是風(fēng)阻系數(shù)的優(yōu)化。并以某轎車為例，確定風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化的方案，并在實(shí)車上進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：整車阻力有明顯的下降，油耗也有一定程度的改善。

風(fēng)阻系數(shù)；優(yōu)化；油耗；熱性能

0 引言

自2012年起，我國汽車產(chǎn)銷規(guī)模一直位居世界第一，2015全年產(chǎn)銷雙雙突破2 400萬輛，且未來一段時(shí)間仍將繼續(xù)保持微增長。汽車進(jìn)入千家萬戶的同時(shí)，也帶來了日益突出的燃油供需矛盾和環(huán)境污染問題。

為了促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展，我國出臺(tái)了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，加嚴(yán)了汽車的油耗。針對乘用車，推出GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》和GB 27999-2014《乘用車燃料消耗量評價(jià)方法及指標(biāo)》，從2016年起開始正式實(shí)施，總體目標(biāo)控制在百公里5 L左右。針對輕型商用車，推出GB 20997-2015《輕型商用車燃料消耗量限值》，從2018年起開始正式實(shí)施，總體目標(biāo)2020年較2012年加嚴(yán)約20%。針對重型商用車，推出GB 30510-2014《重型商用車燃料消耗量限值》，下一階段的標(biāo)準(zhǔn)正在起草當(dāng)中，總體目標(biāo)計(jì)劃在2020年較2015年加嚴(yán)約15%。

主機(jī)廠可選擇的節(jié)油技術(shù)有多種，總體而言，分為整車、發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力節(jié)油技術(shù)三大類[1]。降低車身風(fēng)阻作為整車節(jié)油技術(shù)之一，能一定程度上改善車輛的油耗，并能在所有車型上應(yīng)用。

1 風(fēng)阻影響因素

車輛在平坦的路面上行駛時(shí)，需要克服滾動(dòng)阻力、空氣阻力和加速阻力。且隨著車速的增加，空氣阻力會(huì)相應(yīng)地增加，在高速時(shí)尤為明顯。如圖1所示，以某轎車為例，當(dāng)以80 km/h的車速行駛時(shí)，空氣阻力約占總阻力的50%，當(dāng)車輛以最高車速行駛時(shí)，空氣阻力約占總阻力的70%。

圖1 某轎車的整車阻力分布

空氣阻力指的是汽車直線行駛時(shí)受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，包含形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力、誘導(dǎo)阻力和摩擦阻力5個(gè)部分。其中，形狀阻力和干擾阻力占比最大。在無風(fēng)的條件下，空氣阻力可表示為[2-3]：

(1)

式中：CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，單位為m2；ua為車速，單位為km/h。

式(1)表明：空氣阻力與風(fēng)阻系數(shù)和迎風(fēng)面積成正比。因此，可以從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：(1)減小迎風(fēng)面積；(2)降低風(fēng)阻系數(shù)。迎風(fēng)面積受到使用空間的限制，不容易進(jìn)一步降低，所以降低風(fēng)阻系數(shù)是降低空氣阻力的主要手段。

2 風(fēng)阻優(yōu)化實(shí)例

以整備質(zhì)量約1 150 kg、發(fā)動(dòng)機(jī)排量約1.5 L的某轎車為例，總體思路是先對CFD模型進(jìn)行校核，在此基礎(chǔ)上，分析和確認(rèn)可行的優(yōu)化方案，再在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)車的試驗(yàn)論證，最后進(jìn)行節(jié)油效果和其他性能的驗(yàn)證。

2.1 模型校核和方案設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化模型處理方式，例如將邊界層的設(shè)置調(diào)整為7層，厚度設(shè)置為15 mm，修正空氣密度、空氣黏度和環(huán)境氣壓，增加輪胎傳動(dòng)，取消風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)等，控制模型精度在±5%范圍內(nèi)，滿足分析的要求。CFD模型的典型截面速度分布如圖2所示。

因該轎車為已量產(chǎn)市場在售的車型，重新設(shè)計(jì)車身造型不現(xiàn)實(shí)，因而考慮降低車輛的風(fēng)阻系數(shù)，主要從優(yōu)化干擾阻力和外形阻力兩方面入手。降低干擾阻力的方案有封閉部分格柵、增加整流板、增加底板護(hù)板等；降低外形阻力的方案有調(diào)節(jié)引擎蓋高度、調(diào)整保險(xiǎn)杠轉(zhuǎn)角、減小霧燈裝飾框落差、改變大燈型面等。

圖2 CFD模型的典型截面速度分布圖

2.2 方案論證

在風(fēng)洞中進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前應(yīng)按要求將車輛的姿態(tài)調(diào)整至設(shè)計(jì)要求，確認(rèn)車輛幾何參數(shù)，包括輪胎氣壓、載荷等，確保車輛固定在天平4個(gè)支撐點(diǎn)合理準(zhǔn)確的位置，并按照測量要求固定好試驗(yàn)車輛。試驗(yàn)風(fēng)向應(yīng)與車輛軸線風(fēng)向一致。通過調(diào)節(jié)風(fēng)速，即可測得不同風(fēng)速下的氣動(dòng)阻力。

新外形方案。通過優(yōu)化車頭圓角，改善了氣流向側(cè)面流動(dòng)的流向。同時(shí)，保險(xiǎn)杠圓角的處理也減小了尾部渦流，風(fēng)阻系數(shù)有0.002的優(yōu)化。

封閉部分格柵。通過封閉格柵正對散熱器以外的區(qū)域，減小進(jìn)入發(fā)艙內(nèi)部的氣流，風(fēng)阻系數(shù)有0.009的優(yōu)化。

前保險(xiǎn)杠下護(hù)板優(yōu)化。通過優(yōu)化，能起到阻隔氣流從前保險(xiǎn)杠底部進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的效果，從而使底部氣流快速通過，降低了干擾阻力，風(fēng)阻系數(shù)有0.01的優(yōu)化。

發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板優(yōu)化。在去除原發(fā)動(dòng)機(jī)下護(hù)板之后，重新設(shè)計(jì)了型面流暢的新下護(hù)板，在保證原有作用的同時(shí)，平整了底部氣流，風(fēng)阻系數(shù)有0.003的優(yōu)化。

車身下護(hù)板優(yōu)化。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，在滿足安裝結(jié)構(gòu)的同時(shí)，最大范圍內(nèi)起到了遮蓋下車體凸起特征的作用，加快了底部氣流，風(fēng)阻系數(shù)有0.01的優(yōu)化。

后保險(xiǎn)杠下護(hù)板優(yōu)化。車身底部后端的氣流在后保護(hù)板的作用下，能快速通過，并能起到減小尾部渦流的作用，風(fēng)阻系數(shù)有0.004的優(yōu)化。

如表1所示：通過上述方案的組合，風(fēng)阻系數(shù)有10.3%的優(yōu)化。由表1還可以看出，車身下護(hù)板和前保險(xiǎn)杠下護(hù)板優(yōu)化的效果最為明顯，分別為3.3%和2.9%。

表1 風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化過程

3 優(yōu)化前后對比

3.1 整車阻力對比

在道路上進(jìn)行實(shí)車滑行試驗(yàn)，要求車輛為空載，環(huán)境為無風(fēng)狀態(tài)，分別測量優(yōu)化前和優(yōu)化后的阻力見圖3。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的整車阻力平均有4%的降低。且車速越高，風(fēng)阻優(yōu)化的效果越明顯，這與理論分析也是一致的。

圖3 優(yōu)化前后的整車阻力對比

3.2 整車油耗對比

在整車轉(zhuǎn)鼓上，先模擬車輛與在道路上的狀態(tài)一致，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)，要求車輛狀態(tài)為整備質(zhì)量加100 kg?？己私?jīng)濟(jì)性常用的項(xiàng)目即最高擋等速油耗和循環(huán)油耗，結(jié)果見圖4和表2。相比優(yōu)化前：優(yōu)化后的最高擋等速油耗平均優(yōu)5.6%，NEDC油耗優(yōu)2.8%，油耗改善效果明顯。

圖4 優(yōu)化前后的最高擋等速油耗對比

關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化比例/%NEDC油耗/(L·10-2·km-1)6.536.352.8UDC油耗/(L·10-2·km-1)8.38.122.2EUDC油耗/(L·10-2·km-1)5.455.322.4

3.3 整車熱性能對比

因方案對前進(jìn)氣格柵和底盤做了修改，有必要開展熱平衡與熱害試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示：減小冷卻氣流及底部平整化等方案基本不影響車輛性能。

圖5 優(yōu)化前后的熱性能對比(爬坡工況)

4 結(jié)束語

通過風(fēng)阻的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)整車阻力的明顯降低，并在一定程度上改善車輛的油耗。試驗(yàn)表明：風(fēng)阻系數(shù)優(yōu)化約0.04，整車油耗能降低約0.18 L，可為其他項(xiàng)目提供參考。

同時(shí)，在關(guān)注風(fēng)阻優(yōu)化對油耗的改善時(shí)，還應(yīng)關(guān)注對其他性能如熱性能等的影響，保證車輛的總體性能滿足設(shè)計(jì)要求。

【1】華從波,賀子龍,韓震,等.淺談乘用車油耗法規(guī)及應(yīng)對策略[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2015,53(10):73-76.

HUA C B,HE Z L,HAN Z,et al.Discussion on Passenger Car’s Fuel Consumption Standard and Countermeasures[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2015,53(10):73-76.

【2】余志生.汽車?yán)碚揫M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

【3】劉全有,趙福全,楊安志,等.淺析汽車風(fēng)阻系數(shù)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2012,50(11):59-62.

LIU Q Y,ZHAO F Q,YANG A Z,et al.Analysis of Automobile Air Drag Coefficient[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2012,50(11):59-62.

路虎全新一代發(fā)現(xiàn)發(fā)布

路虎首度公布全新一代發(fā)現(xiàn)官方圖片，全尺寸七座豪華SUV即將重磅登場。路虎全新一代發(fā)現(xiàn)完美融合強(qiáng)大多功能性、超凡全地形能力以及先進(jìn)科技，完美融合了英倫風(fēng)范以及路虎品牌永不止步的探索精神，彰顯了路虎致力于延續(xù)品牌“Above and Beyond”傳奇歷程的態(tài)度與信心。路虎全新一代發(fā)現(xiàn)于巴黎車展前夕(2016年9月28日)全球首秀。

路虎全球設(shè)計(jì)總監(jiān)哲芮勛(Gerry MCGOVERN)先生表示:“全新一代發(fā)現(xiàn)重新定義了大型豪華SUV。路虎設(shè)計(jì)與工程團(tuán)隊(duì)徹底顛覆了發(fā)現(xiàn)車型的設(shè)計(jì)基因，全力打造出一款客戶高度向往的集極致多功能性與強(qiáng)悍全地形能力于一身的豪華SUV?！?/p>

(來源：路虎)

A Passenger Car’s Aerodynamic Resistance Improvement

SONG Yejian, HE Zilong, BAI Fujun, GAO Bo

(Anhui Jianghuai Automobile Company, Hefei Anhui 230022,China)

The structure and principle of vehicle resistance and aerodynamic resistance were introduced. The most effective way was aerodynamic resistance coefficient optimization. Taking a passenger car as an example, the aerodynamic resistance coefficient optimization scheme was determined and verified on vehicle.The results show that vehicle resistance has obvious drop, fuel economy also has been improved to a certain degree.

Aerodynamic resistance coefficient;Improvement; Fuel economy；Thermal performance

2016-06-09

宋業(yè)建(1981—)，男，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)。E-mail:hezilong007@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.013

U461.1

A

1674-1986(2016)09-057-03